Energetika sa zaoberá výrobou a rozvodom elektrickej energie.
  • výroba elektrickej energie - zaoberá sa výrobou elektrickej energie v klasických a nekonvenčných elektrárňach
  • rozvod elektrickej energie - rieši prenos a dodávku elektrickej energie z elektrární až k odberateľom

6.1.5 Nekonvenčné elektrárne

 

Zdroje elektrickej energie v jadrových a tepelných elektrárňach sú zdroje, ktoré sú vyčerpateľné a ich zásoby prudko klesajú.
Uhlie, ropa alebo zemný plyn, ktoré sa používajú v tepelných elektránach sú samozrejme zdroje neobnoviteľné a taktiež sú potrebné aj v iných odvetviach priemyslu, kde sa nedajú nahradiť inými.
Zásoby uránu, ktorý je potrebný na výrobu jadrového paliva sú taktiež vyčerpateľné.
Situácia so zdrojmi energie v jadrových a tepelných elektrárňach nás núti k úvahám o získavnaí elektrickej energie z iných zdrojov, a to zdrojov obnoviteľných.
Veľmi významným obnoviteľným zdrojom elektrickej energie je voda. Preto vodné elektrárne zaberajú vo výrobe elektrickej energie významné miesto.
Avšak dá sa povedať, že "slovenská voda " je využitá už na maximum a preto treba hľadať aj iné spôsoby výroby elektrickej energie.je využitá

Obnoviteľné zdroje elektrickej energie

Je zrejmé, že nekonvenčné elektrárne svojimi výkonmi nie sú schopné pokryť spotrebu elektrickej energie našej krajiny, ale ako doplnkový zdroj určitých lokalít by určite našej energetickej sústave pomohol.
Avšak pre veľké vstupné investičné náklady a relatívne malú podporu štátu je tento spôsob získavania elektrickej energie len na začiatku ťažkej cesty.

Slnečná energia

Zariadenie ktoré je schopné využívať slnečné žiarenie sa nazýva slnečný kolektor, solárny článok. Na povrch zemskej atmosféry dopadá slnečné žiarenie s intenzitou 1360 W/m2. Zo žiarenia dopadajúceho na povrch atmosféry sa Na Slovensko dopadne energia slnečného žiarenia v priemere za rok od 850 do 1100 kWh na m2 prochy. Rok má 8760 hodín. V našich klimatických podmienkach svieti Slnko od 1300 do 1900 hodín.
Smer dopadu slnečných lúčov sa neustále mení. Plochu kolektoru najlepšie využijeme, keď bude umiestnená kolmo na dopadajúce slnečné lúče. V našich podmienkach je úplne postačujúce, keď kolektor nasmerujeme celoročne pevne na juh s uhlom sklonu voči vodorovnej rovine 30° až 45°. Účinnosť je daná polomerom zachyteného a dopadajúceho tepeného toku. V lete sa dá dosiahnuť účinnosť kolektorov aj nad 80% a v zime účinnosť klesá aj pod 10%.

Využitie slnečných kolektorov

Druhy slnečných kolektorov

Slnečné kolektory na výrobu tepla

Komponenty solárneho zariadenia na prípravu TÚV (teplej úžitkovej vody)

Fotovoltické články

Základným elementom fotovoltického zariadenia je solárny článok. Takéto články môžu premeniť slnečnú energiu priamo na elektrickú. Základným materiálom solárneho článku je kremík v Polykryštalické články - premieňajú asi 9 - 12% slnečnej energie na elektrinu. Monokryštalické články - majú najvyššiu účinnosť, až 16%. Amorfné články - polovodičový materiál je nalisovaný na 1/1000 mm hrubý nosný materiál (sklo, hmota).Ich výroba je najlacnejšia, avšak aj účinnosť je veľmi nízka (len 3 - 7%).
Každý samostatný fotovoltický článok, s priemerom 10 cm, dodáva elektrické napätie asi 0,5V a maximálny elektrický prúd asi 2,5A.
Aby sa dosiahlo vyššie napätie alebo silnejší prúd, zostavujú sa fotovoltické články do solárnych modulov.
Celé fotovoltické zariadenie pozostáva zo Je potrebné si uvedomiť, že pri intenzite slnečného žiarenia 1000 W/m2 dostaneme výkon 1 kW z cca 10 m2.

Biomasa

Spaľovaním biomasy získava ľudsvo energiu už od nepamäti. Biomasa sa aj v súčasnej dobe využíva hlavne na výrobu tepla, prípadne aj elektriny (kogenerácia), alebo ako surovina pre výrobu plynných, kvapalných či pevných palív.

Kogenerácia

Kogenerácia je moderná technológia výroby tepla a elektrickej energie.
Je to technológia založená na princípe združenej výroby tepla a elektrickej energie. Uplatní sa všade tam, kde je potrebná elektrická energia, teplá voda a kde sa vykuruje, od poľnohospodárskych a potravinárskych podnikov, administratívnych budov, plavární, kultúrnych domov až po bytové domy.
Základná výhoda kogenerácie spočíva v technologickom postupe, ktorý umožnuje súčasnú výrobu tepla a elektrickej energie v jednom zariadení.
To umožnuje dosiahnut až 40% úsporu vstupného paliva. V súčasnosti sa elektrická energia a teplo vyrábajú samostatne v elektrárňach a teplárňach.
Pri združenej výrobe je využiteľnost paliva podstatne efektívnejšia.
Proces kogenerácie sa uskutočňuje v zariadeniach, ktoré sa volajú kogeneračné jednotky
. Ide o plynový spaľovací motor, ktorý poháňa trojfázový generátor. Ten vyrába elektrickú energiu. Chladením motora, oleja a spalín sa získava teplo.
Elektrickú energiu je možné použit na pokrytie vlastnej spotreby, prípadne ju predávať energetickým rozvodným závodom. Teplo sa využíva na kúrenie a ohrev teplej úžitkovej vody.
Keďže kogeneračné jednotky pracujú nezávisle od elektrickej siete rozvodných závodov, slúžia i ako záložný zdroj a zabezpečujú fungovanie aj v čase výpadku prúdu.
Základným palivom je zemný plyn. Veľmi zaujímavá je však možnosť využívania bioplynu v poľohospodárstve, potravinárstve i prípadne v čističkách odpadových vôd.Samozrejme tam kde nieje dostupný zemný plyn sa využíva propán - bután.

Formou biomasy sú hlavne najrôznejšie rastlinné odpady, alebo vedľajšie produkty. Najčastejšie sa používa drevená štiepka.
Biomasa má vedľa priameho významu - zdroja energie - ešte ďalší dôležitý význam - obmedzuje rast skleníkových plynov v ovzduší.
Pri jej spaľovaní vzniká síce taktiež oxid uhličitý - rovnako ako spaľovaním fosílnych palív, ale pri raste rastlín.
Najvyužívanejším palivovým materiálom je v súčasnosti drevo a drevný odpad vznikajúci pri jeho spracovaní.
V posledných rokoch sa na Slovensku ročne produkuje 320 až 340 tisíc ton palivového dreva a drevospracujúci priemysel ročne vyprodukuje približne 1,265 mil. ton odpadovej biomasy.
Okrem známeho využívania odpadu pre získavanie energie sú aj ďalšie spôsoby získavania energetickej biomasy, a to tzv. cielene pestovanými energetickými rastlinami. Rýchle rastúce dreviny - ide spravidla o topole alebo vŕby, ktoré sa v krátkom (3 až 5 ročnom) cykle zbierajú, dosúšajú, štiepkujú, prípadne ďalej spracúvajú.
Zariedenia na spaľovanie biomasy

Veterná energia

Energia vetra, ako mnoho iných alternatívnych zdrojov energie, pochádza zo Slnka. Na rozdiel od priamej slnečnej energie (prenášanej žiarením) je však určitým spôsobom "akumulovaná" vo vzdušnom obale Zeme a v podobe oblastí s rozdielnou teplotou a tlakom.
Vietor ja teda len časové rozloženie energie, je využiteľnejšie ako priame slnečné žiarenie (ktoré sa zníži až o 90%, ak slnko zacloní mrak, v noci je slnečné žiarenie nevyužitelné, v zime je slabšie ako v lete).
Vietor fúka rovnomernejšie, fúka aj v noci a hlavne je ho relatívne väčší dostatok v zime - energeticky náročnejšiom období.
Napriek rozšírenému názoru o množstve vetrov na Slovensku, nepatrí tento alternatívny zdroj energie medzi využiteľné zdroje vo väčšom rozsahu.
Ekonomické aspekty takéhoto zdroja zatiaľ nedovoľujú takto vyrobenej energii konkurovať energii z priemyselných zdrojov (elektrárne - vodné, tepelné, jadrové).
S výhodou ich však možno použiť už dnes pri ostrovnej prevádzke (lokality bez privedenia verejnej elektrickej siete).
Klesajúce ceny veterných elektrární však pravdepodobne posunú v neďalekej budúcnosti ich komerčné využitie do reálne konkurečnej polohy.
Energia vetra sa využíva už mnoho storočí. Ako prvá dokázala vietor využiť lodná doprava. Asi v 17.storoči sa začal vietor využívať na pevnine, postavili sa prvé veterné mlyny. V niektorých oblastiach sveta sa vietor používa napríklad na pohon vodných čerpadiel.
Energia vetra sa dá určiť zo vzťahu : P = 0,5.p.v3.S
kde Ako vidno, najdôležitejším parametrom v rovnici je rýchlosť prúdenia vetra. Výkon veternej elektrárne rastie až s treťou mocninou rýchlosti. Táto veľmi prudká závislosť je sľubná, zároveň je však zdrojom technických obmedzení. Pri miernom vetre je jeho výkon príliš malý, aby vôbec roztočil rotor (prekonal trecie sily prevodovky), ak sa aj roztočí výkon je minimálny. Pri silnejúcom vetre sa však rýchlo zvyšuje výkon, rastú otáčky listov vrtule. Aby zniesli veľkú rýchlosť museli by byť z ušľachtilých materiálov a teda vrtuľa by bola veľmi drahá. Preto sa musí elektráreň pri veľmi silnom vetre odstaviť, aby sa nepoškodila.
Druhý parameter rovnice je priemer vrtule (udáva plochu, z ktorej sa "zberá sila vetra" ), preto sa dnes presadzujú najma veľké pomalobežné rotory s listami 20-50m.
Dnešné veterné elektrárne sa vyrábajú pre bežné rozsahy vetrov 6-16m /s. Novšie turbíny určené pre vnútrozemie pracujú približne od 3,5m /s.
Napriek relatívne veľkému výskytu vetrov počas roka nie každá oblasť je vhodná na stavbu veternej elektrárne. V hornatom teréne, aký je charakteristický pre Slovensko, je vzduchové prúdenie pomerne nerovnomerné. V dôsledku terénnych prekážok sa mení intenzita i smer vetra, vznikajú nevhodné turbulencie. Získať hodnoverný údaj o priemernej rýchlosti v danej lokalite je pomerne náročné. Pre posúdenie danej lokality je potrebné niekoľko účelové meranie s registračným anemometrom, ešte lepšie je však špecializované dynamicko-klimatologické meranie s následnou odbornou analýzou.
Veĺmi dobré lokality sú u nás len vo Vysokých a Nízkych Tatrách. Najlepšia lokalita je napr. Chopok. Všetky sa však nachádzajú na území národných parkov a v nedostupnom teréne. Vybudovanie prípadnej elektrickej prípojky na verejnú sieť by stavbu predražilo. Dobré lokality, ako Krížna(Veľká Fatra), či Červenica-Dubník, sú opäť pomerne nedostupné.
Medzi prijateľné lokality Slovenska patria hrebene Malých a Bielych Karpát, oblasť Devínskej brány, Košická kotlina, Malá a Veľká Fatra a hrebene horských oblastí.
Ostatné lokality sú vhodné len pre pomocné elektrárničky malých výkonov, napr. osvetlenie a zohrievanie vody na záhrade a podobne. Z existujúcich funkčných komerčných riešení na Slovensku je nám známa len veterná elektráreň v lokalite Kokinda na výchdnom Slovensku s inštalovaným výkonom 20kW a veterná farma v lokalite Cerová na západnom Slovensku s inštalovaným výkonom 4 x 600kW, ktorá bola uvedená do prevádzky 10.10.2002.

Technologická časť veternej elektrárne

Z rotora sa získaná energia dostáva cez spojku a prevodovku do elektrického generátora. Ten môže vyrábať jednosmerný alebo striedavý prúd. Na pripojenie je však nutné použiť striedač napätia.
Pre veterné elektrárne spolupracujúce s distribučnou sieťou je jednoduchšie použiť asynchrónny generátor.
Pre potreby ostrovnej prevádzky (vysokohorské chaty bez verejnej site) sú výhodnejšie synchrónne generátory. Musia však mať veľmi dobrú reguláciu mechanickej časti, aby boli otáčky rovnomerné.
Elektrická energia je cez regulačné a meracie systémy vyvedená von (ku spotrebičom, alebo do distribučnej siete).
Menšie výkony sú vyvedené na napäťovej úrovni 0,4kV.
Priväčších výkonoch je vyvádzaná elektrická energia transformovaná na vysoké napätie 22kV.
Pre ilustráciu: Lokality na Slovensku však len zriedka dosahujú aspoň minimálne rýchlosti. Rozbehové rýchlosti bývajú 2 - 3,5 m /s.
Bez finančnej pomoci štátu sú takmer všetky obnoviteľné zdroje energie nekonkurencieschopné voči klasickým priemyselným zdrojom. Rozvoj týchto perspektívnych technológií brzdia najmä vysoké investičné náklady na nákup zariadenia a realizáciu prípojky a ďalšie počiatočné náklady. Nízke výkupné ceny ďalej potláčajú konkurendcieschopnosť "čistých" zdrojov energie.

Geotermálna energia

Geotermálna energia je energia získavaná z vnútra našej Zeme. Využívanie geotermálnej energie bolo známe ešte pred uhlím a ropou. Geotermálna energia nepatrí vo svetovom rozsahu medzi najdôležitejšie, ale vo vhodných lokalitách môže byť dominantnou energiou zabezpečujúcou ľudské potreby Geotermálne prejavy Zeme sa na rôznych miestach objavujú ako sopky, horúce pramene, fumaroly alebo gejzíry.
Najznámejšie využitie geotermálnej energie je v termálnych kúpeľoch, ale história aj súčasnosť pozná tiež vykurovanie budov a prípravu jedál pomocou tepla Zeme.
Zem prechádza vývojom, ktorý trvá milióny rokov.
Vnútorné jadro zložené zo železa a niklu má teplotu cca 4300 oC a vonkajšie jadro teplotu cca 3900 oC.
Na vonkajšom jadre je spodný a vrchný plášť a na ňom je zemská kôra. Medzi kôrou a plášťom sa vytvára magma.
Tepelný tok, ktorý môžeme namerať na povrchu Zeme, je väčší, ako keby pochádzal len zo zemského jadra. Tento rozdiel nepochádza ani z chemických reakcií v Zemi, tie by nestačili.
Časť energie môže vznikať v dôsledku prílivu a odlivu.
Horniny obsahujú aj malé množstvo rádioaktívnych prvkov, ktoré sa reakciami pri dlhodobom rozpade podieľajú na vzniku tepla.
Tepelný tok (množstvo tepla prechádzajúce cez určitú plochu za určitý čas) na povrchu Zeme je v priemere 0,06W/m2.
Geotermický gradient je miera narastania teploty v závislosti od hĺbky. Priemerné hodnoty dosahujú rast teploty o 3oC na 100m hĺbky.
Zdroje geotermálnej energie sa vo svete nachádzajú hlavne v Novom Zélande, Kalifornii, Etiópii, Keni, Turecku, Grécku, Taliansku a Islande.
Z teoretického hľadiska je využitiie pary z geotermálneho poľa na výrobu elektrickej energie jednoduché, v praxi však treba vyriešiť viacero problémov.

Výroba elekrickej energie

Aj keď máme k dispozícii prehriatu paru je veľmi dôležité očistiť ju od plynov, piesčitých častíc a iných zlúčenín, pretože turbíny sú na ne veľmi citlivé.
Častejšie je však na úrovni ústia vrtu k dispozícii zmes vody a pary.
V prvej fáze sa preto oddeľuje vodná para, ktorá je sčasti prehriata, lebo tlak vody je vo vrte vyšší ako atmosférický.
Oddelenie pary od vody prebieha v separátore. Keď je pary prebytok, je možné ju odviesť odtokovým ventilom mimo separátor. Pri vyústení pary do ovzdušia sú použité tlmiče hluku.
Parovod od ústia vrtu po turbínu musí byť starostlivo navrhnutý. Para má v potrubí veľkú rýchlosť, preto ohyby a kompenzátory musia byť navrhnuté tak, aby korózia a tlakové straty v potrubí boli čo najnižšie.
Po využití energie na výrobu elektriny je paru alebo vodu ešte možné využiť aj na iné účely, ako je výroba elektrickej energie.
Pokiaľ je tepla toľko, že sa už nemá kde využiť na vykurovanie budov, skleníkov alebo technógiu, je potrebné sa média, ktoré ešte ostalo, zbaviť. Para sa ochladí v chladiacich vežiach a voda sa reinjektuje späť do zeme. Sú to podobné problémy, aké sa vyskytujú aj pri výrobe elektrickej energie v klasickej kondenzačnej elektrárni.
Využitie geotermálnej energie

Tepelné čerpadlá

Energie okolo nás je dostatok, má však nízku teplotu na to, aby mohla byť využitá na ohrev teplej vody alebo na kúrenie.
Taktiež v prevádzke rôznych technológií je výstupom teplo s nízkou teplotou, ktoré sa ďalej dá len ťažko využiť. Existuje však technické zariadenie, ktoré vie túto teplotu efektívne zvýšiť. Nazýva sa tepelné čerpadlo. Môžeme byť hrdí na to, že konštruktérom prvého tepelného čerpadla na svete je slovenský rodák Aurel Stodola.
Jeho tepelné čerpadlo z roku 1928 dodnes pracuje vo Švajčiarsku a vykuruje radnicu v Ženeve s odoberaním tepla z vody jazera.
Čo je vlastne tepelné čerpadlo?
Tepelné čerpadlo pracuje v princípe ako chladiace zariadenie, ktorého hnacím prvkom je najčastejšie kompresor poháňaný elektromotorom. Zariadenie odoberá
vo výparníku odparením chladiva teplo z prostedia s nižšou teplotou, tým prostredie ochladzuje a s pomocou hnacej energie (elektrickej, mechanickej, tepelnej)
stlačené chladivo skondenzovaním v kondenzátore odovzdá do prostredia s vyššou teplotou (napr. vykurovacie médium - voda) . Tým ho zohrieva.
Teplo privádzané z výparníka do kondenzátora sa pritom zvyšuje o teplo, na ktoré sa mení v komresore hnacia energia.
Zjednodušene povedané, tepelné čerpadlo je vykurovacím zariadením, ktoré pracuje na opačnom princípe ako kompresorová alebo absorpčná chladnička.
Chladnička odoberá teplo z potravín, ktoré sú v nej uložené a výmenníkom na zadnej stene chladničky ho odvádza do prostredia.
Tepelné čerpadlo odoberá teplo z prostredia (vzduch, voda, pôda) a odvádza ho do vykurovacieho média. Toto zariadenie teda odvádza teplo z nižšej teplotnej hladiny do vyššej. Je schopné využiť aj relatívne chladný zdroj tepla (napr. studený vzduch alebo studenú vodu). Mení pritom energiu studeného zdroja tepla n paru pracovnej látky.
Veľmi jednoducho si tento proces možeme vyskúšať pomocou kolínskej vody. Keď kolínsku vodu kvapneme na ruku, rýchle sa odparí a miesto na ruke ostane chladnejšie, pretože odovzdalo teplo kolínskej. Poďla zdroja nízkopotenciálnej energie a vykurovacieho média, rozoznávame tieto základné druhy tepelných čerpadiel: pričom prvá časť názvu uvádza nižšiu teplotnú hladinu (tzn. odkiaľ sa teplo odoberá) a druhá časť vyššiu teplotnú hladinu (kam sa teplo odovzdáva) .
Uveríte, že jednu premení na tri?
Tepelné čerpadlo nie je perpetum mobile a nepracuje bez dodanej energie. Jeho tepelný (vykurovací) výkon je daný súčtom oboch vložených energií (energie z prostredia a energie na pohon) a je preto vždy väčší ako energia vynaložená na pohon.
Na celkovom množstve tepla odovzdaného do druhého prostredia, a teda tepelnom výkone, sa asi 60 - 70% podieľa teplo odobraté z chladnejšieho prostredia (kde je zadarmo k dispozícií) a asi 30 - 40% dodaná energia (elektrina, plyn), ktorá sa musí zaplatiť.
Pomer tepelného výkonu a príkonu je tzv. výkonové číslo. Výkonové číslo je vždy väčšie ako 1.
Z 1 kWh elektrickej energie je teda možné získať pomocou tepelného čerpadla v priemere asi 2,5 až 4 kWh tepelnej energie.
Niektorý výrobcovia udávajú aj výššie výkonové čísla (až do 7).

Na začiatok